探究牛顿第二定律实验的设计方案.doc

探究牛顿第二定律实验的设计方案 江苏省泰兴市第四高级中学(225411)杨成方 1概论 牛顿第二定律实验是高中物理必修内容的重点实验之一，是高中物理教学中的一个“经典”实验。但由于器材条件及实验原理本身等各方面原因,做好该实验并不容易。近年来有不少关于改进该实验的文章发表,教师们提出了很多有创意的新设计。其中比较有代表意义的主要有以下3种设计方案。牛顿第二定律实验探究是探究加速度与力、质量的关系，使用的方法是控制变量法。实验的设计思路就是围绕两个关系来拟定的，即质量一定时探究加速度和力的关系；力一定时探究加速度和质量的关系。 2设计方案一 第1种设计方案是现行教材上通用的方案，其实验装置如图1所示。 2.1原理 通过适当调节带滑轮的长木板的倾斜度，平衡掉小车的摩擦力，当M和m做加速运动时，可以得到： 当M?m时，可近似认为小车所受的拉力F等于mg。 2.2设计思路 （1）保持小车的质量M不变，改变m（即拉力）的大小，测出相应的a，探究a与F的关系； （2）保持m不变，改变M的大小，测出小车运动的加速度a，探究a与M的关系。 本设计实验装置简单,实验操作也简单,主要是实验的原理容易理解，易被学生所接受。考虑到高一学生知识水平,一般把所挂重物的重力mg当作小车所受拉力来处理,但这样不可避免地带来了系统误差。这也是这个实验设计方案中唯一的缺点，但也是很重要或者说是致命的问题。为了减少系统误差,左边悬挂的物体质量的可调整范围很小,测量的数据只能集中在一个很小的区域。在实际的学生实验中,存在系统误差与偶然误差的双重影响，这样实验的效果和可信度就大打折扣了。 笔者认为，这个实验还是有改进方法的，既然已经知道有系统误差，不妨沿着这个思路，想办法把系统带来的误差加以避免。 3设计方案二 第2种设计方案是教材课后的习题和材料上出现的，其实验装置如图2所示。 取质量相同的小车（保持M不变），放在光滑的平面上，小车的前端分别栓上细绳，绳子的一端跨过定滑轮，各挂一个小盘，盘里分别放着数量不同的砝码。小车的后端各系上一根细绳，一起用夹子夹住。打开夹子，让两个小车在不同的拉力作用下，同时从静止开始做匀加速运动。经过一段时间后关上夹子，让两个小车同时停下来。改变盘子里所放砝码的数量，可以改变小车所受拉力F的大小。由位移公式x=1/2at2可知，两小车的运动时间相同，故位移x和加速度a成正比。实验中只要测量位移x和砝码的质量(即F大小)，获得位移x和拉力F之间的关系，就得到了加速度a和拉力F之间的关系。然后在小车中放上不同的砝码（改变M），在小盘中放上相同质量的砝码（保持F大小不变），就可以获得在拉力F大小一定的情况下，加速度a和小车的质量（M）之间的关系。 方案二实验装置简单明了，实验中测量数据也较方便，但是在实验原理中有个转换，就是由位移和力的关系转换成加速度和力的关系，是学生不容易理解的地方。另外，这个实验也是用重力来代替拉力的大小，因而也有系统误差。 4设计方案三 第3种设计方案是一名中学教师设计的，并申请了专利。 如图3所示,研究斜面上滑动的滑块,当滑块在斜面上下滑时,滑块受到的合力为: 如图4所示,设BD边所在位置是滑块沿斜面匀速下滑时斜面的位置,则有: 也就是：=tan 斜面长度为AB=L,倾角为,则有： 改进后装置设计思路如图5，原理如图6所示。 （1）当质量不变，研究力和加速度的关系时，可以保持AB(如1m)不变,分别放入3块直角垫块(边长分别为4cm6cm10cm、8cm12cm10cm、14cm16cm10cm)。改变AD的数值,用直尺测量出其数值,就可以得到成倍增加的合外力。 （2）当力不变，研究加速度和质量的关系时，可让同一块直角垫块4左右移动,竖直高度AD的数值保持不变,改变小车的质量,只要同时移动直角垫块4,改变AB的数值,保证Mg/AB不变,就可以得到恒定的外力。 5小结 方案三从实验效果上看应该是最好的。该实验设计由于不存在课本实验中实验原理不完善的系统误差,测量的数据范围大,加速度的数值大,偶然误差很小。改变直角垫块的边长就可以改变合外力的大小,改变小车的质量,只要同时移动直角垫块4,改变AB的数值,保证Mg/AB不变,就可以得到恒定的外力。 那么它是不是就完美无缺了呢?答案是否定的。笔者认为，首先这个实验方案不够直观,没有方案一中的拉力直观明显，容易为学生所接受；其次证明过程虽然不是很难理解，但还是比较复杂的，学生要有一定的数学知识基础才行。笔者推想教材的编排者应该考虑到高一学生的知识基础和学生的思维能力